Efficient Computation of the Long-Range Exact Exchange using an Extended Screening Function
本文提出基于HSE屏蔽函数的一阶泰勒展开来近似长程库仑势，在保持HSE06级别计算速度的同时纳入长程精确交换，并在半导体和有机晶体上验证了其精度与PBE0接近且成本显著降低。
2025-05-05 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Simple iterative construction of the optimized effective potential for orbital functionals, including exact exchange
对于明确依赖于Kohn-Sham轨道的交换相关泛函，势$V_{\mathrm{xc}σ}(\re)$必须作为优化有效势（OEP）积分方程的解来获得。这是非常苛刻的，并限制了轨道泛函的使用，如精确交换。我们证明了OEP可以通过迭代求解偏微分方程而不是积分方程来获得。这相当于计算精确化Krieger-Li-Iafrate（KLI）近似的轨道位移。不需要计算非对称轨道。该方法的准确性和效率的原子和簇使用的确切的交换能。反直观的渐近极限的确切OEP，从以前的建设，无法访问。
2003-01-29 cond-mat.mtrl-sci physics.atm-clus physics.chem-ph
Optimized Effective Potential made simple: Orbital functionals, orbital shifts, and the exact Kohn-Sham exchange potential
优化有效势（OEP）是明确依赖于轨道的能量泛函的精确Kohn-Sham势，例如，准确的交换能量。给出了OEP方程的一个证明，它不依赖于泛函导数的链式法则，直接给出了最简单形式的方程：一定的一阶密度漂移必须为零。这个条件解释了Hartree-Fock和精确交换OEP的最高占据轨道能量如此接近的原因。更重要的是，我们表明，确切的OEP可以迭代地构建从一阶位移的Kohn-Sham轨道，这些可以很容易地计算。计算了球形原子和三维钠团簇的交换势$v_\mathrm{x}(\re)$。研究了它的长程渐近行为，包括$v_\mathrm{x}(\re)$在特定空间方向上对非零常数的逼近。我们计算的总能量和轨道能量和静态电偶极子极化率的钠团簇采用确切的交换功能。精确的OEP结果进行了比较的Krieger-Li-Iafrate（KLI）和局部密度近似。
2003-03-19 cond-mat.mtrl-sci physics.atm-clus physics.chem-ph
Power of Anisotropic Exchange Interactions: Universality and Efficient Codes for Quantum Computing
我们研究了一类各向异性固体哈密顿量的量子计算能力。发现了一组通用的编码逻辑运算，它们消除了许多量子计算机提案中难以实现的单量子比特门，例如，量子点和施主原子自旋的各向异性交换耦合，量子霍尔系统，以及电子浮在氦上，我们展示了如何通过将一个量子比特编码成两个物理量子比特，并通过控制最近邻相互作用，使相应的哈密顿量具有普适性。
2001-11-14 cond-mat math-ph math.MP
Linear-scaling implementation of exact exchange using localized numerical orbitals and contraction reduction integrals
我们提出了使用密度矩阵和局部支持函数的精确交换计算的计算效率的增强。我们引入了一种数值方法，避免了显式计算四中心两电子排斥积分，并减少了因子N的前因子标度，其中N是在精确交换哈密顿量范围内的原子数。这种方法是基于一个收缩减少计划，并利用离散空间，使直接求和的支持函数在一个本地化的空间。利用密度矩阵的稀疏性，可以进一步降低前因子的缩放，以达到渐近O（N）。
2012-11-12 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Physical exact conditions as regularizers for exchange-correlation in solids and surface chemistry
SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis（界面科学与催化SUNCAT中心）；SLAC National Accelerator Laboratory（斯坦福直线加速器中心）
研究DFT在固体和表面化学中交换关联近似的问题，指出针对表面结合能优化XC泛函可能使表面反应势垒描述变差，强调满足物理精确条件的重要性。
2026-07-09 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Density functional with full exact exchange, balanced nonlocality of correlation, and constraint satisfaction
我们构造了一个非局部密度泛函近似与全精确交换，同时保留了约束满意的方法和合理的误差取消简单的半局部泛函。这是通过在适合于电子密度的两个极端区域的不同近似之间进行插值来实现的。“正常”区域很好地描述了半局部近似，因为适当的精度为缓慢变化的密度或因为错误之间的交换和相关性抵消。非定域性被揭示的“异常”区域，包括那些交换可以主导相关性的区域（单电子、不均匀的高密度和快速变化的极限），以及那些电子数波动的开放子系统，在这些开放子系统上，确切的交换相关空穴积分值大于-1。这些极端之间的区域描述的混合功能混合精确和半局部交换能量密度本地。因为我们的混合分数在高密度极限下趋于1，所以我们严格地采用完全精确交换。然而，交换的非定域性也要求相关性的平衡非定域性，这可能需要至少五个经验参数。我们的局部杂化泛函可能是第一个具有完全精确交换的尺寸一致的第四阶密度泛函或超GGA，对所有单电子密度都是精确的，并且提供了对G3/99集合的223个分子结构和BH 42/03集合的42个反应势垒高度的极好拟合，改进两者（但特别是后者）在大多数半局部泛函和全球杂交。
2008-10-10 physics.chem-ph
Accurate and efficient approximation to the optimized effective potential for exchange
我们设计了一个有效的实用方法来计算对应于Hartree-Fock电子密度的Kohn-Sham交换相关势。这种势与精确交换优化有效势（OEP）几乎没有区别，并且当用作OEP的近似值时，比所有现有模型都要好得多。使用我们的方法可以获得明确的，几乎精确的OEP为任何有限的单电子基组在相同的低成本的Krieger-Li-Iafrate和Becke-Johnson势。实际上，这解决了在精确交换计算中OEP的黑箱构造的长期问题。
2013-06-15 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Exact Exchange with Range-separated Algorithm for Thermodynamic Limit of Periodic Hartree-Fock Theory
针对周期性体系精确交换计算成本高的问题，提出将库仑相互作用拆分为短程、长程分别在实/倒易空间计算的程分离算法，可高效处理大量k点，在台式机上完成了百万基函数LiH晶体的全电子Hartree-Fock计算。
2023-04-25 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Exact exchange-correlation potential of effectively interacting Kohn-Sham systems
为了将密度泛函理论与波函数理论相结合，我们研究了从多体相互作用系统到有效相互作用Kohn-Sham系统的映射.由于有效相互作用系统的基态要求具有相关多体波函数的解，这为DFT形式理论框架中的组态相互作用和耦合集团方法等多体波函数理论提供了一个自然的框架。利用简单的一维双电子系统--一维氦原子、氢分子和异质双原子分子--研究了有效相互作用Kohn-Sham系统的多体波函数和精确交换关联势的性质。结果表明，通过优化有效相互作用势，可以控制精确交换关联势的渐近行为。此外，选择适当的有效相互作用，可以抑制精确非相互作用Kohn-Sham系统的典型特征，即分子离解极限的交换关联势中的尖峰特征和台阶特征.这些发现为基于有效相互作用的Kohn-Sham方案构造数值稳健和高效的交换相关势和泛函提供了可能性。
2019-09-06 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph physics.chem-ph
Towards quantifying the role of exact exchange in predictions of transition metal complex properties
我们估计的预测灵敏度相对于Hartree-Fock交换近似密度泛函代表Fe（II）和Fe（III）八面体配合物。基于最广泛使用的泛函所涵盖的参数范围相对较窄的观察，我们计算了Hartree-Fock交换比（0 - 50%）相对较宽范围内的电子结构性质和自旋态有序。对于考虑的整个范围内，我们始终观察到的自旋态排序，不同的直接配体的元素，因此可以广泛地采用作为功能的有机金属化合物的预测灵敏度的措施之间的线性关系。Hartree-Fock交换在杂化泛函中的作用通常被认为是纠正自相互作用错误驱动的电子离域（例如从过渡金属中心到相邻配体）。令人惊讶的是，我们反而观察到，增加Hartree-Fock交换减少铁中心的电荷，对应于有效的电荷离域配体，从而挑战了Hartree-Fock交换在改变自旋态有序预测中的作用的概念。
2015-07-08 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Occupied-orbital fast multipole method for efficient exact exchange evaluation
基于快速多极子方法（FMM），提出了一种计算Hartree-Fock模型和混合密度泛函理论模型中交换贡献的有效算法.我们的算法是基于这样的观察，即当交换矩阵的指数中的至少一个被约束为被占据轨道时，具有层次框的FMM可以有效地用于交换矩阵构造。给出了烷烃链（C400 H802和C150 H302）、石墨烯片（C150 H30）、水簇[（H2O）100]和蛋白质Crambin（C202 H317 O 64 N55 S6）的时间基准。计算成本的远场交流评估Crambin是大约3%的自洽场迭代时，使用的多极秩2。
2017-08-17 physics.chem-ph
The Exact Exchange-Correlation Potential in Time-Dependent Density Functional Theory: Choreographing Electrons with Steps and Peaks
本文回顾含时密度泛函理论中精确交换关联势的台阶与峰特征的研究进展，指出非微扰区域的这类特征无法通过基态泛函近似自举法捕捉，并分析其对电子远离基态时模拟性能的影响。
2022-07-15 physics.chem-ph
A discontinuous functional for linear response time-dependent density functional theory: the exact-exchange kernel and approximate forms
本文详细研究了含时密度泛函理论的正合交换核，重点研究了它在整数粒子数下的不连续性。最近发现，这种确切的性质导致核中的尖峰和台阶特征，其在双原子系统的解离极限中发散[Hellgren和Gross，Phys.Rev.A，022514（2012）]。为了进一步分析内核的不连续性，我们在这里使用两种不同的近似EXX内核：PGG近似和共同能量分母近似（CEDA）。它表明，而PGG近似忽略不连续CEDA包括它明确。通过对模型分子系统的研究表明，在分子链的密度泛函描述中，所谓的场抵消效应可以从静态核的不连续性来看待。的频率依赖性的作用也进行了研究，突出其重要性，为远程电荷转移激发以及内壳层激发。
2013-09-03 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Exact constraints and appropriate norms in machine learned exchange-correlation functionals
机器学习技术作为开发通用密度泛函近似的替代策略越来越受到关注，增强了人类设计泛函的历史上成功的方法，这些泛函是为了遵守精确交换相关泛函的数学约束而获得的。最近，人们努力调和这两种技术，整合机器学习和精确约束满足。我们继续这种集成方法，设计一个深度神经网络，利用精确约束和适当的范数哲学来解轨道化强约束和适当赋范的SCAN泛函。训练深度神经网络以仅从电子密度和局部导数信息复制SCAN泛函，从而避免使用轨道相关的动能密度。机器学习功能的性能和可移植性的分子和周期性系统证明。
2022-05-27 physics.chem-ph
Ideal regularization of the Coulomb singularity in exact exchange by Wigner-Seitz truncated interactions: towards chemical accuracy in non-trivial systems
杂化密度泛函在化学精确的第一性原理计算中显示出巨大的潜力，但其高计算成本限制了其在非平凡研究中的应用，如探索周期性表面上吸附剂的反应途径。导致其成本增加的一个因素是精确求解精确交换能中的可积奇异性所需的密集布里渊区采样。我们分析了这种奇异性在一个直观的形式主义的基础上Wannier函数本地化和分析证明维格纳-塞茨截断是理想的方法正则化的库仑潜在的交换内核。我们表明，这种方法是有限的，只有在科恩-沙姆轨道的布里渊区离散化误差，因此收敛的交换能指数与用于采样的布里渊区的所有，但零温度的金属系统的k点的数量。为了便于实现这种方法，我们开发了一个通用的构造截断Wigner-Seitz细胞在一个，两个或三个晶格方向的平面波库仑核。我们比较了几种正则化方法的交换内核在各种实际系统，包括低对称性晶体和低维材料。我们发现，我们的Wigner-Seitz截断系统地产生最好的k点收敛的所有这些系统的交换能量，并提供了一个准确的混合泛函可比半本地和屏蔽交换泛函在相同的k点集。
2013-04-16 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Exact-exchange density functional theory for neutron drops
我们计算的基态性质的有限系统的中子在一个外部的谐波陷阱，通过明尼苏达势相互作用，使用“精确交换”形式的轨道相关的密度泛函理论。我们比较我们的结果与Hartree-Fock计算，发现非常接近的协议。在研究的相互作用的背景下，我们得出结论，这个简单的轨道相关的功能带来了传统的核密度泛函理论的水平Hartree-Fock从头算的方式。我们的工作是基于现实的核子-核子相互作用的高阶从头算核泛函的第一步。
2011-07-19 nucl-th physics.chem-ph
Faster Exact Exchange for Solids via occ-RI-K: Application to Combinatorially Optimized Range-Separated Hybrid Functionals for Simple Solids with Pseudopotentials Near the Basis Set Limit
In this work, we developed and showcased the occ-RI-K algorithm to compute the exact exchange contribution in density functional calculations of solids near the basis set limit. Within the gaussian planewave (GPW) density fitting, our algorithm achieves a 1-2 orders of magnitude speedup compared to conventional GPW algorithms. Since our algorithm is well-suited for simulations with large basis sets, we applied it to 12 hybrid density functionals with pseudopotentials and a large uncontracted basis set to assess their performance on band gaps of 25 simple solids near the basis set limit. The la…
2022-11-08 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Why Projection-Based DMRG-in-DFT Cannot Be Exact, Even with the Exact Exchange-Correlation Functional
Lodz University of Technology（罗兹理工大学）；University of Warsaw（华沙大学）
本文研究了基于投影的DMRG-in-DFT方法中，即使使用精确的交换-相关泛函，由于非加性交换-相关能量和自相互作用效应导致的误差问题。
2026-03-05 physics.chem-ph
Efficient Evaluation of Exact Exchange for Periodic Systems via Concentric Atomic Density Fitting
精确（Hartree-Fock，HF）交换算符的计算是从头计算和混合密度泛函方法精确描述周期体系电子结构的关键。本文提出的LCAO表示中周期性HF交换的有效公式是基于同心原子密度拟合（CADF）近似，这是一种无域局部密度拟合方法，其中两个原子轨道（AO）的乘积使用以与该乘积中的AO相同的核为中心的拟合基函数的线性组合来近似。精确交换的计算成本显着降低证明相对于传统的方法，由于避免了需要评估四中心两电子积分，亚毫哈特里/原子误差的绝对哈特里-福克能量和良好的取消拟合误差的相对能量。新的方面的库仑贡献的Fock运营商的评价，如使用真正的两个中心的多极展开和球补偿晶胞密度也进行了描述。
2020-06-06 physics.chem-ph physics.comp-ph
Correlation energy functional and potential from time-dependent exact-exchange theory
在含时密度泛函理论中，我们研究了一种新的关联能泛函。关联能已计算出一些不同的原子显示出良好的协议，从更复杂的方法的结果。通过用静态值近似EXX核，这些结果几乎没有精度，这一过程极大地简化了计算。通过对密度取函数导数得到的关联势对所有研究的原子都是非常精确的。用该势计算了电离势、静电极化率和范德华系数，结果与实验结果吻合较好。
2009-09-16 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph
Machine-learned Laplacian-level density functional from exact exchange-correlation potentials and energies
University of Michigan（密歇根大学）
提出NNLap，一种基于精确交换关联势与能量训练的拉普拉斯级泛函，通过神经网络修正PBE，在热化学基准上达到与SCAN和r2SCAN相当的精度，且无需轨道依赖。
2026-09-29 physics.chem-ph
Exact time-dependent exchange-correlation potential in electron scattering processes
我们确定的峰和谷结构的确切的交换相关势的时间相关的密度泛函理论，是至关重要的时间分辨的电子散射模型的一维系统。绝热近似完全忽略了这些结构，因此大大低估了散射概率。一个最近提出的非绝热近似示出正确捕获的方法时，明智地选择初始Kohn-Sham状态的电子的目标，是更准确的比标准的绝热泛函，但它最终未能准确地捕捉反射。这些结果可以解释最近在分子和表面研究中低估散射几率的现象。
2017-08-29 physics.chem-ph physics.comp-ph quant-ph
A basis-set-free reference for the exact exchange-energy density and functional development
University of Toronto（多伦多大学）；Acceleration Consortium, University of Toronto（多伦多大学加速联盟）；Vector Institute for Artificial Intelligence（向量人工智能研究所）
本文开发了无基组数值代码AXEL，可精确计算局域交换能密度，其结果与MRChem等代码及大基组参考精度相当，可作为交换泛函开发的无基组参考平台。
2026-10-15 physics.chem-ph
Exploring non-adiabatic approximations to the exchange-correlation functional of TDDFT
将含时密度泛函理论的精确交换关联势分解为相互作用分量和动力学分量，为非绝热近似提供了一个新的起点。的组件表示的交换相关孔和相互作用和Kohn-Sham系统的单体密度矩阵之间的差异，这必须近似从Kohn-Sham演化的数量。我们探讨了几个初步的近似，评估其履行已知的确切条件，并测试其性能的简单模型系统，可用的精确解表明超越绝热近似的意义。
2018-06-27 physics.chem-ph
The Staggered Mesh Method: Accurate Exact Exchange towards the Thermodynamic Limit for Solids
本文证明交错网格方法能加快固体中精确交换能向热力学极限的收敛，并在带隙、体模量等性质上优于常规方法。
2024-02-21 physics.chem-ph physics.comp-ph
Gedanken Densities and Exact Constraints in Density Functional Theory
通过满足普适的约束条件，可以构造多电子基态的交换相关能的精确密度泛函的近似，即，适用于所有电子密度。Gedanken密度是为这种结构的目的而设计的，但不需要是现实的。均匀的电子气是一种古老的密度。在这里，我们提出了一个球形的两电子gedanken密度，其中的无量纲密度梯度可以是一个任意的正常数，只要密度是非零的。交换能的Lieb-Oxford下限可以在广义梯度近似（GGA）内通过限定其增强因子或最简单的GGA交换-能量密度来满足。众所周知，这种增强因子结合是足够的，但我们的gedanken密度表明，它也是必要的。传统的精确交换能密度不满足这样的局部边界，但能量密度不是唯一的，最简单的GGA交换能量密度不是它的近似，我们进一步导出了一个强的和最优的收紧的双电子密度交换增强因子的边界，它满足局部密度近似，但违反了所有已发表的GGA或元GGA的。最后，给出了GGA或元GGA的交换增强因子的渐近性的非均匀密度标度行为的一些结果。
2014-04-23 physics.chem-ph
Correlation energy within exact-exchange ACFD theory: systematic development and simple approximations
我们已经计算了均匀电子气（HEG）的相关能和分子的解离能曲线与共价键的绝热连接涨落耗散（ACFD）的表达式，包括确切的交换（EXX）内核的一种新的实现。EXX核是由一阶微扰理论定义的，并用于含时密度泛函理论的Dyson方程。在该近似（RPAx）内，HEG的相关能量相对于RPA被显著地改进，直到密度达到$r_s \approx 10$的量级。然而，超过该值，RPAx响应函数表现出非物理发散，近似值失效。分子在平衡状态下的总能量也是高度精确的，但我们发现在拉伸几何形状下也有类似的不稳定性。保持在响应函数的精确一阶近似值内，我们使用高阶项的替代重新表示。对RPAx的这种略微重新定义修复了总能量计算中的不稳定性，而不会影响该方法的整体准确性。
2014-09-01 cond-mat.str-el physics.chem-ph
All-electron RT-TDDFT with Exact Exchange based on Numeric Atom-centered Orbitals for Condensed Matter
University of North Carolina at Chapel Hill（北卡罗来纳大学教堂山分校）
本研究提出基于数值原子中心轨道的全电子精确交换RT-TDDFT实现，经孤立水分子、晶体硅及碳化硅验证，为分子与凝聚态体系的杂化XC泛函RT-TDDFT提供高效全电子途径。
2026-10-12 physics.chem-ph physics.comp-ph
